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[经验] 【TQi.MX6UL试用体验】医疗监护仪制作(一)概述

2017-7-4 10:30:33  2227 命令行 电脑 医疗电子 FR101-107
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本帖最后由 超级开发板 于 2017-7-11 09:52 编辑

在科技日渐发达的今天,随着生活质量的提高,人们越来越重视对健康和生命的珍贵,在人们探索外太空科研、集成电子电路、军事武器的同时,对医疗设备的研发从未止步,越来越先进的医疗设备正结合着日渐精密的电子产业和其他科研项目的技术而变得更加精准无误,同时,科技的进步也挽救了无数人的生命,每天都有新的医疗产品被研发或更新,每天都有新的技术融入医疗设备,天嵌科技-TQi.MX6UL开发板具有优秀的硬件稳定性,不但适合精度与稳定性要求极高的工控电子,还适合同样需要高精度与高稳定性的医学电子,由于天嵌科技-TQi.MX6UL开发板采用了恩智浦(NXP)IMX6ULtraLite Cortex-A7 MPCore,拥有丰富的例程和稳固的代码架构,开发起来很方便,下面,我们就来运用天嵌科技-TQi.MX6UL工业级开发板从头到尾完成一次医疗监护仪的开发。

目前比较明确的一点是:医疗设备的开发对于整个人类发展的历史进程都有深刻的重要意义。

而采用先进和稳固的技术来开发医用设备则是对生命的负责和敬畏。

本帖中制作医疗监护仪将至少包含心电、心率功能、心电及体温记录功能、以及心电异常报警功能,如有额外精力,将包含呼吸监测、血压测量、血氧饱和度、DCM格式光学造影读取等功能,如果可能,还将扩展基本频段的脑电功能。

首先,了解一下心电产生的原理,用通俗易懂的语言讲:“心脏周围的组织和体液都能导电,因此可将人体看成为一个具有长、宽、厚三度空间的容积导体。心脏好比电源,无数心肌细胞动作电位变化的总和可以传导并反映到体表。在体表很多点之间存在着电位差,也有很多点彼此之间无电位差是等电的。”
然后,我们需要把它捕捉到,并用可视化查看它

心脏的电激流出现在心肌机械性收缩之前,它会通过各种组织传导至体表,使体表的不同部位产生相应的电位差,这电位差些许有个大体的规律,所以我们能够通过技术手段捕捉到它,天嵌科技-TQi.MX6UL开发板提供了丰富的端口,将CPU强劲的引脚功能发挥出丰富的作用。

虽然它算是电信号,但仅仅是大致规律,所以需要按模拟信号处理,这样肯定在某个环节需要模转电装置,而我们平时几乎感觉不到心电的电流存在,说明这电流并不是很强,需要在模转电的前级增加功放,也就是功率放大器,然后这之间最好加个保护装置,防止误操作带来损失,尤其是做产品时,开发者往往会注意到这一点,而操作者可能会将测量头任意摆放,或者在产品上做一个专门放置测量头的位置,并在说明书中声明。

要想监测,我们先要捕捉到信号,有信号了,才能通过算法去处理,不然连信号都没有,准不准就无从提起了,上面提到心电需要功率放大,对比市面已有产品,有三档、四档增益可选,而这个仪器的价值不但大部分取决于稳定的主板,还有相当一部分取决于增益,增益出优质的信号,然后通过优质的主板和稳固的算法去处理它,由于前级是模拟信号,增益环节的信噪比也比较关键的,还有就是信号到主板了,主板的稳定与无干扰也是相当重要的,天嵌科技-TQi.MX6UL开发板的电气指数完全能够胜任这一分析处理任务。
然后,有信号了,我们再去考虑准确性,精度上去了,产品的价值也就上去了,天嵌科技-TQi.MX6UL开发板提供了非常高的硬件精度,以及具备强大的抗干扰能力,所以,我们只需优化算法与外部设备即可实现高精度的信号处理流程,这时,我们需要去摸索心电产生的步骤及状态,以及如何直观的图形化显示,通过生物实验我们可以看到,心电是由窦房结形成起搏后,将信号脉冲通过人体自带的算法经由传导系统导出到相应心肌,相应心肌接收信号后通过自动处理形成机械性收缩,同时,这个信号也将稍许衰减并传至体表,这时,我们可以发现,一个心电变化会产生很多肌肉运动,各肌肉收缩各有时序和强度,如果我们需要图形化显示并能直观显示出心脏的哪部分产生了何种动作,有很多种方法可以设计它的显示,这不仅关系到显示输出,也关系到算法硬件组成,(算法方面:)比如说图形界面只显示一轨的,就不同频分复用的模拟信号被叠加到一起,分离算法就用不到,然后要由人的大脑去解读它们,而分层七导同屏或其它的多导同屏则要增加分离析出算法,把叠加到一起的部分分开来,既然我们是用仪器,那就让仪器去分好它们,尽量减少人脑的工作量,让人脑可以去考虑其他重要的事情,也能更快更直观的观察到监测过程中的突发状况。(硬件方面:)分多轨能减少人脑的工作量,但这一工作量会被增加到仪器的处理量上,也就是仪器的处理量变大,每增加一个轨,在没有算法优化的情况下,处理量将是前面的平方,这需要更加强劲的硬件,同时,同屏显示更多轨也增加了显示的负担,需要更大分辨率以及更多的像素改变取址操作,所幸天嵌科技-TQi.MX6UL开发板的处理能力和显示能力强劲,这种处理量对它来说只是小事情,完全够用,而且五导心电导联线跟其他级别的导联线也是有不同的,仔细观察就能发现,还有就是指夹式血氧探头也是有好多种的,虽然里面传感器都是差不多的,除非价格特别高或以此为卖点的可能特别些,硬件方面好一些肯定不一样的,传感器关系到源数据的精度以及测量范围,硬件足够,可以增加些功能,比如ST段分析,起搏分析,一般医用的主板内存都差不多刚好的,而天嵌科技-TQi.MX6UL开发板的内存有很多,也可以把它们用起来,比如搞个24小时的心电全息波形回放之类的,普通的家用机子一般60分钟到180分钟,专业的有记录卡,类似PCI硬盘,当然价格也高。


一个典型的心电波形入下所示:
qprst.jpg
先是P

然后QRS

再来T

可以看到明显的电位差,对于这个电位差的研究有很多,

研究出来的结果虽有好多流派的差异,

不过目前主流的还是这样子差不多,大致用下面的语言描述下:

P是心房肌肉组反极化电位变化,

P到R是窦房结往外传数据的电位变化,

QRS是心室的肌群搞来搞去,

S到T是到外面扩过去抖一下,以前有视频的,看一下更直观,

然后T是心室肌肉重新预上电

有时候T之后还会抖一下,

不过抖太多震颤了有时就坑了,有些二尖瓣、三尖瓣故障或闭不牢了也会这样,就要去看看了。


前面说的上电去电这些其实是医用术语的除极和复极,这儿搞电子的人多,用电子的方法去理解也是差不多的,这样描述吧:人的肌肉有电了就抖一下,抖了没电了就停了,跟电一下步进电机的感觉差不多。人体里的电位还跟K+跟NA+有关,这个是钾钠离子,离子带电的,甲亢这些就像电池的电压充太足了,这些离子搞到细胞里有跨膜电位逆转,这样细胞电位升上去,它就会类似条件反射般除掉,除的方法就是抖,这个前面的抖就是临床医学的人说的电位0相,跟上面的R区段类似,然后这个叫除极,除了就没电了,也不能说没电,就是电压变成普通状态了,然后还有复极跟电位1相,其实叫法叫什么都没关系,前面的电位变化跟客观可见的数据是不变的。


然后要监测准一些的话,心电要接人体挺多位置的,有个人体六轴理论跟12导联体系,前面那六轴跟机械加工的五轴不搭界、跟陀螺仪或航模的几轴也关系不大,后面那体系是Einthoven搞的国际通用标准,符合这标准的设备比较好卖,修修也方便,标准导联I  II  III,双极的,然后加压单极aVR、aVL、aVF,这样搞的话,把人的左右手接上,然后随便搞个左腿也接上,这叫Einthoven三角,这个方法测起来效果不错。

打算做个至少三导联同屏显示的,普通的是I II III,打算把其他的做进来,让功能更多,创新一下

后续内容:

医疗监护仪制作(二)软件

http://bbs.elecfans.com/jishu_1145626_1_1.html

医疗监护仪制作(三)硬件

http://bbs.elecfans.com/jishu_1145627_1_1.html


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